PHYSIQUE STATISTIQUE II PHQ-440

Université de Sherbrooke PLAN DE COURS
Faculté des sciences Trimestre d’été 2001
Département de physique
PHYSIQUE STATISTIQUE II
PHQ-440
COURS PROFESSEUR
Titre : Physique Statistique I
Sigle : PHQ-440
Crédits : 3
Travaux dirigés : 1 heure/sem
Travail personnel : 5 heures/sem
Session : 4
Nom : Mario POIRIER
Bureau : 1088-1
Horaire de
disponibilité : à déterminer
PLACE DU COURS DANS LE PROGRAMME
Type de cours : obligatoire
Cours préalables : PHY-340

PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II
MISE EN CONTEXTE DU COURS
Les deux cours de physique statistique inscrits au programme familiarisent l'étudiant aux
concepts physiques et aux méthodes de base qui sont nécessaires à la description de systèmes faisant
intervenir un nombre très grand de particules. La mécanique statistique constitue avec la mécanique
quantique et la relativité l'un des piliers de la physique moderne. Elle a pour but d'expliquer le
comportement de systèmes macroscopiques (incluant un très grand nombre de particules) à partir de
leurs propriétés microscopiques. C'est de façon générale la mécanique quantique qui décrit les
propriétés et l'évolution des systèmes physiques à l'échelle microscopique. La mécanique statistique est
donc construite sur cette description quantique. Il est important que les étudiants perçoivent d'emblée
la physique statistique comme une théorie fondamentale, et non pas comme une simple tentative de
justifier a posteriori la thermodynamique. La démarche consiste donc à présenter la mécanique
statistique élémentaire et à expliciter son articulation avec la thermodynamique et la théorie cinétique
pour en dégager un point de vue unifié et moderne. La physique statistique permet ainsi de comprendre
des phénomènes que les autres branches ne peuvent expliquer en raison d'une approche déterministe.
Des applications concrètes peuvent être trouvées dans tous les domaines de la physique: physique des
solides, électromagnétisme, astrophysique, cosmologie, superfluides, etc. Les deux cours de physique
statistique sont obligatoires pour tous les étudiants.
Le deuxième cours, Physique Statistique II, complète la description statistique des systèmes à
l'équilibre thermodynamique amorcée dans le premier cours. Les deux distributions statistiques
fondamentales sont ensuite appliquées à divers problèmes dans différents domaines de la physique.
OBJECTIFS GÉNÉRAUX
Le cours PHQ-440 vise à
-approfondir la physique statistique
-faire maîtriser les fondements des deux principales distributions statistiques
-rendre les étudiants aptes à appliquer ces statistiques à l'étude des gaz parfaits quantiques et classiques
OBJECTIFS SPÉCIFIQUES
A la fin du cours PHQ 440, et pour atteindre les objectifs généraux, l'étudiant devra être capable de:
expliquer les concepts de fonction de partition, d'entropie statistique et d'équilibre thermodynamique
décrire les différents ensembles statistiques et leur relation avec la thermodynaique
déduire le rôle de la mécanique quantique dans des phénomènes observés à l'échelle macroscopique

PHY-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II
expliquer le principe ergodique et les ensembles statistiques
appliquer les statistiques de Bose-Einstein, de Fermi-Dirac et de Maxwell-Boltzmann à l'étude des
gaz parfaits quantiques et classiques
analyser certains phénomènes physiques appartenant à différents domaines de recherche ou
d'application en choisissant la statistique appropriée (le paramagnétisme, la loi de radiation de Planck,
la chaleur spécifique des solides, la théorie cinétique des gaz, l'équation de van der Waals et la
transition gaz-liquide, le ferromagnétisme, les propriétés électroniques et magnétiques des métaux, les
naines blanches, l'hélium à basse température, le rayonnement cosmique à 3K)
analyser l'évolution d'un gaz classique dilué (équation de Boltzmann)
expliquer les aspects historiques du développement de la physique statistique
PLAN DE LA MATIÈRE
L'horaire est établi en fonction de 13 semaines effectives de cours
Semaine Objectifs Contenu
1
Chap. 8
décrire l’équilibre thermodynamique
décrire des systèmes ayant plusieurs espèces
chimiques
système isolé
systèmes en contact avec un réservoir à T, P
conditions de stabilité: éq. de Clausius-Clapeyron
conditions générales d’équilibre
équilibre chimique: loi d’action des masses
2décrire les ensembles statistiques ensembles microcanonique, canonique et grand canonique
relations avec la thermodynamique

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3
Chap. 9
Sect. 1-8
décrire les statistiques quantiques gaz parfaits: particules identiques et exigences de symétrie
fonctions de distribution quantiques: statistiques de
photons, Fermi-Dirac, Bose-Einstein, Maxwell-Boltzmann
limite classique
4
Chap. 9
Sect. 13
analyser les gaz de photons loi du rayonnement de Planck
loi de Stefan-Boltzmann
pression de rayonnement
5
Chap. 9
Sect. 14-15
analyser les gaz de photons rayonnement fossile
émission de rayonnement
émission induite: coefficients d’Einstein
6
Chap. 10
Sect. 1-2
analyser les gaz de phonons
analyser les gaz de bosons
chaleur spécifique des solides: modèles d’Einstein et de
Debye
gaz de bosons indépendants
condensation de Bose-Einstein
7
Chap. 9
Sect. 16-17
analyser les gaz de fermions gaz d’électrons dans un métal
gaz de Fermi dégénéré
chaleur spécifique
paramagnétisme de Pauli
8
Chap.9
Sect. 9-12
Chap.7
Sect. 9-13
analyser les gaz classiques Fontion de partition et propriétés thermodynamiques
Entropie: tests expérimentaux de Sackur-Tétrode
Conséquences physiques de l’énumération quantique des
états.
Théorie cinétique des gaz dilués

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9
Chap.8
Sect.6
Chap.10
Sect.3-7
analyser les gaz non-parfaits systèmes de particules en intéraction
équation de Van der Waals
transformation de phases
ferromagnétisme
10
Chap. 11
Sect. 1,2,4
appliquer à des systèmes en contact
thermique
travail magnétique
refroidissement magnétique
supraconductivité
11
Chap.12
décrire des systèmes hors d’équilibre théorie cinétique des processus de transport
temps de collision, viscosité, section efficace
conductivité thermique, diffusion et conductivité électrique
12-13
Chap.13
décrire des systèmes hors d’équilibre théorie du transport
équation de Boltzmann en absence de collisions
formulation différentielle de l’équation de Boltzmann
calcul de la conductivité électrique
METHODES PEDAGOGIQUES
1. Exposé magistral
2. Questions durant l'exposé magistral
3. Résolution d'exercices et devoirs en classe: participation des étudiants et étudiantes à la solution
d'exercices au tableau..
EVALUATION